高压电缆接地保护装置的优化设计

1、高压电缆接地保护装置的优化设计摘要:近年来,江苏地区110kV及以上超高压电缆应用急剧增加,电缆事故数量也在逐年上升。部分设计与施工单位对高压电缆接地保护装臵参数选择不合理、设备的选择随意性较大,尤其是用于保护电缆安全稳定运行的接地系统,由于接地电阻、保护器等选型没有统一标准,易发生保护器失效或损坏等不正常的现象,引发高压电缆故障。文章分析了电缆护层保护器的不同接线方式对电缆外护套和保护器的影响,研究了电缆护层保护器的额定电压、起始动作电压(参考电压、最大持续运行电压、工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等主要技术参数与电缆保护之间的关系,提出了电缆护层过电压保护器的优化设计方

2、案,并通过工程实践验证。现场应用表明该电缆附件参数设计以及接线方式选择方案能够满足单芯电力电缆线路金属套过电压保护要求,有效减少了单芯电缆金属护层保护接地故障率。关键词:电缆护层保护器接线方式保护器参数优化设计1.前言近年来,江苏地区110kV及以上超高压电缆应用急剧增加,电缆事故数量也在逐年上升。部分设计与施工单位对高压电缆接地保护装臵(SVL参数选择不合理、设备的选择随意性较大,尤其是用于保护电缆安全稳定运行的接地系统,由于接线方式、接地电阻、保护器参数等选型没有统一标准,易发生保护器失效或损坏等不正常的现象,引发高压电缆故障。因此需要研究不同接线方式对SVL和电缆的影响,研究电缆护层保护

3、器的额定电压、起始动作电压(参考电压、最大持续运行电压、工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等主要技术参数与电缆保护之间的关系,规范SVL的设计。2.SVL的接线方式选择江苏无锡某220KV线路交叉互联接SVL,基本参数如下,计算电缆金属护层的感应电压。电缆导体正常工作电流I=680 A短路电流IF = 50 kA土壤电阻率 =250 m频率f =50 Hz地中等值电流的深度 =1475.8 m 电缆间距离S=0.25 m电缆护层长度L=0.3 km电缆金属护层半径rs=0.064 m接地电阻R =0.4大地电阻Rg =Rgl ,Rg=2f×10-3 /km2.1 电

4、缆交叉互联接地SVL “Y ”接线如图1是电缆金属护层交叉互联加“Y ”接SVL 接线图。采用这种接线方式,SVL 只需跨接在断连的金属护层两端,不必接在金属护层和地之间。因为只要在金属护层被绝缘接头断开的两侧能在冲击电压下使SVL 接通,则线芯的冲击电流自然继续以金属护层为回路,这时金属护层的电位就会大大减少。 图1 电缆金属护层交叉互联加“Y ”接SVL 接线电缆金属护层的自感电抗4S e j210ln SD X l r -=4S 1475.8j2102500.3ln 0.064X -=j0.1894 边相与边相金属的互感阻抗400e j210ln2D Z l S -= 4001475.8

5、j2102500.3ln 0.25Z -= j0.1637 中相与边相金属的互感阻抗401e j210lnD Z l S -= 4011475.8j2250102500.3ln 20.25Z -= j0.1506 电缆金属套电阻RS = 0.1,a S 0001 = 0.1 j 0.18940.16370.1506 0.1 j 0.5037 Z Z Z Z =+=+(1三相短路(Y F S 00U I X Z =- (3Y 10j0.1894j0.1637U =-= -j 1113 V 2两相短路A 、C 两相短路时:(Y F S 00U I X Z =- (3Y 5010j0.1894j0.

6、1637U =-= -j 1285 V3单相接地短路(Y F S 0012U I X Z =- (3Y 15010j0.1894j0.16372U =-= -j 642.5 V 采用这种接线方式,保护器只需要跨接在断连的金属护套两端,不必接在金属护套和地之间,也就是说,保护器只需采用“”接法或与之等值的“Y”接法。因为只要在金属护套被绝缘接头断开的两侧能在冲击电压下使保护器接通,则线芯的冲击电流自然继续以金属护套为回路,这时金属护套的电位就会大为减少。这种接线的特点是:由于保护器采用了“Y”型接线,故单相接地故障时,保护器所受工频电压和接地电阻以及流经接地电阻的电流无关,其值仅为两相短路的一半

7、,保护器所受工频电压由两相短路决定;保护器所受工频电压比“Y 0”接法低得多,所以护层所受冲击电压比“Y 0”接法也要小。2.2 电缆交叉互联接地SVL “Y 0”接线如图2是电缆金属护层交叉互联加“Y 0”接SVL 接线图。即在A 与地之间接有SVL ,则此SVL 所受的工频电压Y0F AA'U I R U =+。因为I F R 和U AA 的值都很大,其相位差约为90°,所以SVL 所受的电压U Y0的值很大。 图2 电缆金属护层交叉互联加Y0接SVL 接线 1单相接地短路由于金属护层电压和地网电压部分抵消,因此A 相接地时,C 相护层和SVL 所受的工频电压要比A 相高

8、。a 地网内短路首端a a C F 00S 21F 122a 2121(33Z Z U I Z X R R I R R I Z R R =-+-+33C 210.1j0.50375010j0.1637(j0.18940.4(0.450100.1j0.50370.40.4320.1j0.50370.4(0.43U I +=-+-+( =9521-j5223 = 10859-28.7°V末端a a S 2212'C F 002F 2a 21a 21(33Z Z X R R R R U I Z R I I Z R R Z R R +=+-+ '33C 0.1j0.5037(

9、j0.18940.4(0.435010j0.16370.450100.1j0.50370.40.4U +=+-+ =10479+j5223 = 1170826.5° Vb 地网外短路 首端a a C F 00S 1F 122a 2121(33Z Z U I Z X R I R R I Z R R =-+-+ 33C 210.1j0.50375010j0.1637j0.1894(0.450100.1j0.50370.40.4320.1j0.50370.4(0.43U I +=-+-+( =598-j3960 = 4004-81.4° V 末端'F S 21a C F

10、002a 21(3I X I R Z U I Z R Z R R +=-+ '33C 0.1j0.5037j0.1894(0.435010j0.163750100.1j0.50370.40.4U +=+-+ =-598+j3960 = 400498.6° V2两相短路A 、C 两相短路时(C F S 00U I X Z =- (3C 50100.18940.1637U =-= j1285 V3三相短路(C F S 0001S 00122U I X Z Z X Z =-+-+- (3C 15010j 0.18940.163720.15060.18940.163722U =-+-

11、 =1113+ j1297.5 = 1709.549.38 V这种接线方式的特点是:单相接地时护层和保护器所受工频电压和接地电阻和流经电阻的电流有关。当流经接地电阻的电流大时,工频电压可以达到很高的数值;网内单电源时,由于大部分电流以金属护套为回路,所以护层和保护器所受电压将大为降低。此时护层和保护器所受工频电压主要取决于两相接地故障;和保护器“Y”接线相比,保护器所受工频电压高,所以其残压及护层所受冲击电压随之升高。2.3 SVL 接线方式选择建议电缆外护套所受的工频电压主要与线路两端接地电阻、工频短路电流大小、短路方式密切相关。金属护套两端接地电阻越高,护层和保护器所受的工频电压越高,这对

12、选择保护器参数是不利的,所以应采取适当措施降低当地的接地电阻并加强接地电阻的测量工作。当保护器采用Y 接线时,短路时保护器所受工频电压和接地电阻无关,保护器所受工频电压由两相短路决定。保护器采用Y 0接线时,其所受的工频电压比Y 或者接线方式要大的多,所以电缆外护套所受的残压及冲击电压也会较大。短路时保护器所受的工频电压除与工频短路电流大小、短路方式密切相关外,与保护器自身的接线方式也有很大关系。保护器采用Y 0接线时,短路时保护器所受工频电压和接地电阻有关,当发生单相短路的情况下,保护器受到的工频电压可能达到很大的数值,甚至存在被击穿的可能。因此如果交叉互联的电缆线路每段较长、短路电流过大或

13、者接地电阻较大等情况下,建议保护器的接线方式改为Y接线。3.SVL 的参数设计3.1 SVL的工作特性电力电缆线路设计中强制规定电缆金属护套运行时的感应电压不得超过50 V。当电缆载流量较大时、线路较长,特别是电力电缆线路发生短路故障或者过电压入侵时,其金属护套可能中的感应电势可能击穿电缆外护套造成电缆线路多点接地。因此,电力电缆线路保护即电力电缆金属护层通过护层保护器可靠接地,将电缆线路接地位臵的电位钳制在允许的接地电位范围内。作为有效保障电力电缆线路安全运行的重要保护措施之一,电缆护层保护器通常安装在电缆线路交叉互联接地箱体内和电缆终端箱内,其作用一是限制电缆线路金属套中的工频感应电压,二

14、是迅速抑制或释放电缆线路金属套中的工频过电压和冲击过电压。在电缆线路正常工作状态时,电缆护层保护器呈现高阻状态,截断电缆金属套中的工频感应电压与大地形成的回路,限制环行感应电流,将工频感应电压钳制在设计电压范围内;一旦电缆线路出现短路故障、雷电过电压或者内部操作过电压导致电缆金属套中出现很高的工频过电压或冲击过电压时,电缆护层保护器呈现低电阻导通状态,使得故障电流经保护器迅速泻入大地,将暂态过电压钳制在自身残压范围内,起到保护电缆外护套绝缘的作用。3.2SVL的主要技术参数目前电缆金属护套的保护也普遍采用氧化锌阀片保护器。通常氧化锌阀片保护器电气性能的基本技术指标包括:额定电压、起始动作电压(

15、参考电压、最大持续运行电压、工频耐受电压、通流容量、残压、电压比、荷电率、保护比等。 图3 电缆护层过电压限制器(SVL 3.2.1 额定电压U r 和起始动作电压U 1mA额定电压是护层保护器两端之间允许施加的最大工频电压有效值,即在系统短时工频过电压直接加在护层保护器的氧化锌阀片上时,护层保护器仍允许吸收规定的雷电及操作过电压,特性基本不变,不会发生热击穿。参考电压(起始动作电压包含工频参考电压和直流参考电压。它是指保护器通过1mA 的工频峰值电流或者1mA 直流电流时,其两端之间的工频电压峰值或者直流电压,该电压大致位于氧化锌阀片伏安特性曲线由小电流区上升部分进入非线性平坦部分拐弯处,所

16、以又称起始动作电压或者拐点电压。通常参考电压大于或者等于护层保护器额定电压的峰值,即U 1mA 2U r 。系统短路时,工频短路电流流过电缆线路芯线,电缆金属套不接地端会产生很高的工频感应电压。兼顾护层保护器的工频过电压耐受能力和起始电压U 1mA ,护层保护器额定电压为U r =U P /K 。(其中U P 为短路故障中出现的工频电压最大值,K 为保护器工频电压配合系数,根据电缆外护套绝缘耐受能力和保护器动作情况的不同,K 值可取1.1-1.3。额定电压的选取直接关系到其保护特性和可靠性,K 值越大,保护器的额定电压越低,对电缆外护套过电压保护越有利,一旦电缆金属护套出现较高的过电压,护层保

17、护器则会牺牲自己达到保护电缆外护套的目的;反之,K 值越小,保护器的额定电压越高,其工频电压耐受时间特性越好,动作次数越少,使用寿命越长,但是不利于电缆外护套的保护。针对电缆外护套绝缘水平随时间的推移而下降的实际情况,选取电缆外护层保护器的起始动作电压应低于运行中电缆外护套的工频耐受电压。但当护层保护器的额定电压和起始动作电压取值偏小时,保护器会因工频耐受能力比较差、动作相对频繁而大幅缩短其正常使用寿命,因此应同时考虑短路时电缆金属套上的工频过电压与电压外护套的绝缘耐受水平。3.2.2持续运行电压、工频耐受电压Ug持续运行电压是允许持续加在保护器两端之间的最大工频电压有效值,其值一般等于或者大

18、于系统运行最大工作相电压。该电压决定了护层保护器长期工作的老化性能,即护层保护器吸收过电压能量后温度升高,在此电压下能够平稳冷却,不发生热击穿。根据护层保护器氧化锌阀片的伏安特性以及工程上的实践经验,该值通常取额定电压的80%。保护器的工频耐受电压能力用规定时间下的耐压值来表示(例如2s或者5s工频耐压值,该值是保护器选择时的一个重要参数,它关系到保护器自身的使用寿命,一旦电缆线路在短路故障情况下的工频感应电压大于该值时,护层保护器将会面临着被击穿的危险。由于护层保护器的采用氧化锌避雷器作为非线形限流元件,基本可选取护层保护器工频耐受电压U g,使其在U g的作用下能持续2s而不损坏,U g

19、应大于短路故障情况下保护器所受工频电压的最大值。3.2.3通流容量与标称放电电流保护器具有释放内部过电压能量的通流能力,通流容量表示氧化锌阀片耐受通过电流的能力,通常用短持续时间(4/10s大冲击电流(10100KA作用两次和长持续时间(0.53.2ms近似方波电流(1501500A作用多次来表征,我国目前大多用通过2ms方波电流值作为护层保护器的通流容量。标称放电电流是指冲击电流波形为8/20s大小的放电电流峰值。在雷电冲击电压作用下,电缆金属护套一端接地另一端接保护器时,该护层保护器的标称放电电流I M参考下表选取:表1 SVL标准冲击电流波的通流容量Im(单位:kA 在操作过电压作用下,

20、流经护层保护器的电流有2个阶段,即换算到8/20s的波形I M和持续2-3ms的方波电流I C,I M 和IM二者中较大值为保护器的通流容量设计值,以确保通过最大冲击电流累计20次而不损坏。表2 SVL的操作波通流容量Im和Ic 3.2.4 残压残压是护层保护器的一个重要参数,它指放电电流通过保护器时,其两端出现的电压峰值,包括陡波冲击电流、标称冲击电流、操作冲击电流三种放电电流波形下的残压。护层保护器的保护水平是三者残压的组合。其雷电过电压保护水平为标称冲击电流下的最大残压和陡波冲击电流下的最大残压除以1.15中的较大者,而操作过电压水平，则由操作冲击电流下的最大残压决定。 护层保护器通过最

21、大冲击电流时的残压乘以 1.4 后，应低于电缆 护层绝缘的冲击耐压值。保护器的残压越低，钳制的电位越低，对保 护电缆外护套绝缘免受过电压破坏越有利。 实际累计的电缆运行经验 和现场试验结果显示： 电缆投运后， 电缆外护层的绝缘水平迅速下降， 护层保护器应参考电缆外护层的实际冲击耐受电压来选择残压， 尽量 选择较低的残压。 但是比较低的残压容易导致护层保护器工频耐压水 平较低，从而发生击穿。 保护器的额定电压、起始动作电压和残压是相互联系、相互制约 的参数。不考虑压比时，保护器的额定电压越高，其起始动作电压越 高，残压也就越高。 3.2.5 电压比、残工比与保护比 当线路出现短路故障时， 金属护

22、套上及绝缘接头的绝缘片间将感 应产生较高的工频过电压，可能达到几千伏。当过电压时间较长时， 一般为后备保护切除短路故障的时间（2s） ，此时保护器应在这种最 大工频电压作用下，能承受 2s 而不损坏。也就是说，按短路电流持 续 2s 选择保护器的耐受电压应大于短路时金属护套上的最大工频感 应电压。 保护器的保护性能可以用电压比、残工比或者保护比来表示。电 压比是护层保护器通过波形为 8/20s（常取 10 kA）的标称冲击电流 时的残压与其参考电压之比，残工比是保护器在 8/20s（常取 10 kA） 冲击电流下的残压与保护器的 2s 工频耐压有效值之比，理想的保护 器残工比为 21/2， 保

23、护比是护层保护器通过波形为 8/20（ s 常取 10 kA） 的标称冲击电流时的残压与其最大持续运行电压的峰值之比。电压 比、残工比或保护比越小表示非线性越好，通过冲击放电电流时的残 压越低，护层保护器的保护性能越好。 3.3 SVL 参数选择实例 1）通流容量选择：根据表 1 和表 2 中给出的（8/20ms）通流容量 经验值 Im 和 I m二者中取较大值 10 kA 满足要求。 11 2）当出现单相短路故障的情况时，流过 SVL 的电流为 kA 级，由 于 SVL 的热稳定性有限，此时 SVL 为保护线路会爆炸，这种情况是不 可避免的。若专门针对这种情况选择通流容量很大的 SVL，从经

24、济的 角度考虑不予推荐，只能在短路故障后采取更换 SVL 的措施，这样比 较方便，也比较经济，又达到保护线路的目的。 3）根据前面计算的交叉互联护层最大短路感应电压 11.7 kV，和 最大雷电冲击电压 11.2 kV 和 22.4kV 经验值，选择 SVL 额定电压 8 kV 可以及时动作，起到保护作用，且不会频繁动作。 4）最后综合考虑对 SVL 参数作如下选取： 表3 系统额定 电压 kV 110、220 额定电压 kV 8 工频耐受 电压 kV 7.5 SVL 参数选择 起始动作 电压 kV 11.2 2ms 方波通 流容量 A 通流容量 （8/20ms） kA 10 10 kA 冲击 残压 kV 15 600 4. 结论 SVL 优化设计时，需要综合考虑电缆线路以及 SVL 的接线方式， 计算额定电压、动作电压、残压以及工频耐受电压、通流容量等关键 技术参数，充分考虑参数之间的相互制约因素，优化选取。 现场应用表明该 SVL 参数设计以及接线方式选择方案能够满足 单芯电力电缆线路金属套过电压保护要求， 可以有效减少单芯电缆金 属护层保护接地故障率，提高了电缆运行